一種再生制動(dòng)控制電路的設(shè)計(jì)

1　引言

　　一般情況下,伺服系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。能量是由電網(wǎng)經(jīng)整流器、濾波器、逆變器等傳輸?shù)诫妱?dòng)機(jī)的。當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作于發(fā)電狀態(tài)，即電動(dòng)機(jī)快速制動(dòng)或者帶位勢(shì)負(fù)載時(shí)，能量的傳輸需要反向，能量將在濾波電容上累積，產(chǎn)生泵升電壓，如果泵升電壓過(guò)高，會(huì)威脅系統(tǒng)的安全?？刂票蒙妷鹤詈?jiǎn)單的方法是：泵升電壓產(chǎn)生后，在直流母線之間接通一個(gè)能耗電阻，將能量釋放。如果電動(dòng)機(jī)制動(dòng)頻繁或長(zhǎng)期帶位勢(shì)負(fù)載運(yùn)行，則能量浪費(fèi)嚴(yán)重；同時(shí)，由于電阻發(fā)熱，導(dǎo)致環(huán)境溫度升高，將會(huì)影響系統(tǒng)的可靠性。本文設(shè)計(jì)的這個(gè)電路，可以很好地解決這一問(wèn)題。

　　2　系統(tǒng)工作原理概述

　　將圖1中的三相不控整流器換為可控變流器，并在三相電源輸入端串入三個(gè)高頻扼流電抗器，用以抑制可能產(chǎn)生的雙向（電網(wǎng)?伺服系統(tǒng)）電磁干擾，以及在變流器工作于逆變狀態(tài)時(shí)，起到等效直流電抗器的作用，如圖2所示。

　　當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，可控變流器的大功率開(kāi)關(guān)器件S1～S6全部處于關(guān)斷狀態(tài)，而6個(gè)續(xù)流二極管構(gòu)成三相不控橋式整流器，工作狀況同圖1。

　　當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)時(shí)，則逆變器工作于整流狀態(tài)，而可控變流器工作于逆變狀態(tài)，使電動(dòng)機(jī)工作在再生制動(dòng)狀態(tài)。這時(shí)濾波電容貯能，直流母線電壓升高，在超過(guò)電網(wǎng)線電壓值后，二極管D1～D6反向阻斷；當(dāng)直流母線電壓繼續(xù)升高，超過(guò)設(shè)定的上限允許值UdH時(shí)，變流器開(kāi)始工作，將直流母線上的能量逆變回饋電網(wǎng)。此時(shí)，高頻扼流電抗器將平衡直流母線電壓和電網(wǎng)線電壓之間的差值，以保證逆變狀態(tài)的正常進(jìn)行。當(dāng)直流母線電壓回落到下限設(shè)定值UdL后，再關(guān)閉變流器。就能量回饋需要考慮的問(wèn)題有：

　　1）回饋電流必須滿足回饋功率的要求，同時(shí)不能大于逆變器所允許的最大電流；

　　2）只有當(dāng)直流母線電壓高于設(shè)定值時(shí)，才能啟動(dòng)逆變器進(jìn)行能量回饋；

　　3）為了提高回饋功率，盡量在電網(wǎng)電壓高時(shí)進(jìn)行回饋，因?yàn)槿绻仞侂娏饕欢ǎ瑒t電網(wǎng)電壓越高回饋功率越大。

　　因此，系統(tǒng)須有電壓控制電路，同步控制電路和電流限制電路。電流和電壓的控制由兩個(gè)遲滯比較器完成，同步控制由同步檢測(cè)與控制電路完成。

　　3　控制電路設(shè)計(jì)

　　3．1　電壓檢測(cè)與控制電路的設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)電壓控制電路的目的是：當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作于發(fā)電狀態(tài)并且使直流母線電壓Ud升高到超過(guò)設(shè)定值UdH后，起動(dòng)變流器中的開(kāi)關(guān)管，以使直流母線上的能量逆變回饋回電網(wǎng)，迫使Ud回落；當(dāng)Ud小于另一設(shè)定值UdL后再關(guān)閉開(kāi)關(guān)管。為了避免逆變器過(guò)于頻繁地起動(dòng)和關(guān)閉，電壓控制為滯環(huán)控制方式UdL<UdH。UdL要大于電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)可能出現(xiàn)的最高直流母線電壓，即必須考慮電網(wǎng)電壓的波動(dòng)。設(shè)三相電網(wǎng)電壓波動(dòng)為±15％，經(jīng)整流后，直流母線上可能出現(xiàn)的最高電壓為：

　　式中：U為相電壓的有效值。

　　一般情況下，當(dāng)電網(wǎng)相電壓為220V時(shí)，可設(shè)定UdL=630V，電壓滯環(huán)控制的環(huán)寬為20V，UdH=650V，采用線性光電隔離器NEC200檢測(cè)直流母線電壓，線性地將直流母線電壓轉(zhuǎn)換為弱電壓信號(hào)，作為電壓滯環(huán)控制器的反相輸入。電壓檢測(cè)與控制電路如圖3所示。Uv作為控制回饋逆變器主開(kāi)關(guān)通斷的條件之一。

　　3.2　電流檢測(cè)及電流控制信號(hào)的產(chǎn)生

　　由于直流母線上的電流和通過(guò)變流器開(kāi)關(guān)管的電流以及回饋電網(wǎng)的線電流是相等的，因此只需在直流母線接變流器端裝一個(gè)LEM電流傳感器，就可以檢測(cè)能量回饋過(guò)程中的所有線電流IL。當(dāng)IL低于滯環(huán)下限ILL時(shí)，UI為高電平，允許逆變器開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)IL高于滯環(huán)上限ILH時(shí)，UI為低電平，變流器開(kāi)關(guān)管關(guān)斷。關(guān)斷后，在扼流電抗器的續(xù)流作用下，能量回饋線電流方向保持不變，變流器中相應(yīng)二極管續(xù)流，直流母線上的電流反向。因此需要對(duì)LEM輸出的電壓信號(hào)整流，得到能量回饋的線電流反饋信號(hào)Iv，Iv作為控制回饋逆變器主開(kāi)關(guān)通斷的條件之二。

　　電流檢測(cè)及電流控制電路就是由電流傳感器電路、精密整流電路和遲滯比較器組成，如圖4所示。

　　3.3　相位同步控制電路

　　變流器工作于逆變狀態(tài)時(shí)，為了獲得較大的能量回饋，當(dāng)回饋線電流一定時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量在電網(wǎng)的高電壓段進(jìn)行能量回饋。因此變流器各功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)與電網(wǎng)電壓的相位應(yīng)滿足如圖6所示的同步關(guān)系，為此設(shè)計(jì)了圖5所示的同步控制電路。圖5中，ug1～ug6分別為功率開(kāi)關(guān)器件S1～S6的導(dǎo)通允許同步控制信號(hào)，將圖2和圖5中A、B、C對(duì)應(yīng)連接在一起，并將系統(tǒng)接入電網(wǎng)，無(wú)論相序怎樣變化，圖6所示的同步關(guān)系不變。在此同步關(guān)系下，理想的相電壓和相電流波形如圖7所示。設(shè)u1～u6分別為S1～S6的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，高電平導(dǎo)通，低電平關(guān)斷，驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)u1～u6可分別由保護(hù)信號(hào)、電壓控制信號(hào)Uv、電流控制信號(hào)Iv和同步控制信號(hào)UTi相與后獲得。

　　4　應(yīng)用實(shí)例分析

　　在一個(gè)DSP控制的同步電機(jī)伺服系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，要求能量回饋功率P=6.5kW，相電壓U=220V，變流器的最高開(kāi)關(guān)頻率fmax=10kHz，最大允許電流是25A，設(shè)定ILH=20A,ILL=10A，UdL=630V,UdH=650V。

　　4.1　扼流電抗器的計(jì)算

　　扼流電抗器在此泵升電壓控制電路中起很重要的作用。對(duì)它主要有三個(gè)方面的要求，即電感量、工作頻率和工作電流。對(duì)電感量的要求取決于回饋電流的設(shè)定值和變流器額定開(kāi)關(guān)頻率。假設(shè)能量回饋過(guò)程中，電抗器承受正向電壓為：　　的作用下，回饋電流由ILL上升到ILH的時(shí)間為ton。每一個(gè)電抗器的電感值為L(zhǎng)，當(dāng)IL=ILH時(shí)，變流器開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷，則

　　由此可見(jiàn)，電抗器的電感量在UdH、ILH、ILL、L確定后，UdL越小，變流器功率開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)頻率越高。當(dāng)UdL最小、開(kāi)關(guān)頻率最大時(shí)，需要的電感量最小，此時(shí)UdL=

　　4.2　回饋功率P的估算

　　當(dāng)電網(wǎng)電壓一定后，回饋功率大小與回饋電流有關(guān)，回饋電流為：

　　滿足回饋6.5kW的要求。

　　5　結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)示波器在上述同步電機(jī)伺服系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)捕捉到的電壓和電流波形如圖8所示，與理論分析一致,滿足設(shè)計(jì)要求。在上述系統(tǒng)中的應(yīng)用，說(shuō)明此方法是可行的，有一定的實(shí)用價(jià)值。

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